低壓電控噴油器無效噴油時間測量方法

葉 昌 張振東 程 強

上海理工大學(xué)，上海，200093

0 引言

低壓電控噴油器作為進氣管噴射式發(fā)動機電子燃油控制系統(tǒng)的核心部件，其每循環(huán)燃油噴射質(zhì)量對發(fā)動機性能具有重大的影響［1］。理論上，電控噴油器的噴射量與有效噴油脈寬成正比［2］。但實際中，銜鐵組件在開啟和關(guān)閉階段的運動受到電磁力和運動反力等作用影響，造成電控噴油器存在開啟延遲和關(guān)閉滯后兩種時滯效應(yīng)，預(yù)定噴油脈寬與有效噴油脈寬并不相等，二者差值一般稱為無效噴油時間［3－4］。無效噴油時間的存在導(dǎo)致噴油的計量出現(xiàn)偏差，影響發(fā)動機系統(tǒng)的控制精度，因此需要對其進行測量。近年來，國內(nèi)外研究人員針對無效噴油時間的檢測方法展開了相應(yīng)研究。文獻［5－6］利用光電位移傳感器測量針閥行程，得到了無效噴油時間等重要參數(shù)。夏尚飛等［7］通過自行設(shè)計的針閥位移傳感器來獲得無效噴油時間，但這種方法需要針對不同噴油器設(shè)計不同的位移傳感器，通用性較差。胡俊等［8］設(shè)計了針對國產(chǎn)噴油器流量測試的裝置，取得了較好的測量效果，但對無效噴油時間的研究較少。歐大生［9］主要研究了平面閥和錐閥等不同種類閥的開啟關(guān)閉時間。本文以低壓電控噴油器為研究對象，對無效噴油時間的測量展開研究。

1 電控噴油器運動過程分析

如圖1所示，電控噴油器由鐵芯、導(dǎo)磁片、線圈、銜鐵組件（包括銜鐵和鋼球）、導(dǎo)向管等組成，其工作過程為：線圈斷電時，銜鐵組件在回位彈簧力、自身重力和燃油壓力等運動阻力的作用下，被壓緊在閥座上，噴油器處于關(guān)閉狀態(tài)；線圈通電后，迅速產(chǎn)生電磁力，銜鐵組件在其作用下克服運動阻力向上運動，噴油器開啟［10］。

圖1 電控噴油器磁路模型

銜鐵組件運動過程中，完全開啟時刻到完全關(guān)閉時刻所經(jīng)歷的時間就是噴油器的有效噴油脈寬，如圖2所示。因此只要測得完全開啟時刻C和完全關(guān)閉時刻F，即可計算出無效噴油時間t＝tOD－tCF。

圖2 無效噴油時間示意圖

1.1 銜鐵組件開啟過程分析

開啟階段的電控噴油器相當于一個用電器，電路的電能由外界提供，其結(jié)構(gòu)可簡化為圖3、圖4所示的等效電路和等效磁路［11］。由電壓平衡方程得

式中，U0為蓄電池電壓；R為電磁線圈電阻；I為線圈電流；Ψ為磁鏈。

圖3 開啟階段等效電路

圖4 等效磁路

由麥克斯威磁路方程得

由銜鐵組件運動方程得

式中，N為線圈匝數(shù)；φb為磁通；RM為總磁阻；F為電磁力；μ0為真空磁導(dǎo)率；S為氣隙截面積；Ff為回位彈簧力；G為銜鐵組件重力；Fp為燃油作用力。

開啟階段銜鐵組件位移與時間關(guān)系曲線如圖5a所示。線圈通電后，OB階段銜鐵和線圈電流的變化規(guī)律可由式（2）和式（3）推得。這一階段，線圈磁通變大，電流增大，電磁力快速增大，但小于運動阻力，銜鐵組件靜止不動。BC階段，電磁力大于運動阻力。由式（4）可知，銜鐵組件加速上升，此時工作氣隙減小，總磁阻變小，線圈電感增加，最終導(dǎo)致線圈電流略微下降，并在銜鐵組件完全開啟時刻達到極小值，即圖5b中的C時刻。此后，工作氣隙不再變化，電流重新增加達到飽和。

圖5 開啟階段線圈電流與銜鐵位移關(guān)系

1.2 銜鐵組件關(guān)閉過程分析

關(guān)閉階段等效電路如圖6所示。由于噴油器斷電瞬間會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動勢，造成驅(qū)動電路損壞，所以在線圈兩端并聯(lián)1個由二極管和電阻組成的保護電路。線圈斷電后，線圈相當一個電源，向保護電路電阻RD放電。由電壓平衡方程得

圖6 關(guān)閉階段等效電路

關(guān)閉階段銜鐵組件位移與時間關(guān)系曲線如圖7a所示。DE階段銜鐵和線圈電流的變化規(guī)律可由式（2）和式（3）推得，這一階段，線圈磁通變小，電流減小，電磁力迅速減弱，但仍大于運動阻力，銜鐵組件保持在最大開啟位置。EF階段，電磁力小于運動阻力后，由式（4）可知，銜鐵組件加速下落，工作氣隙增大，總磁阻增加，磁通減小，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢使線圈兩端的電壓增加，并在銜鐵組件完全關(guān)閉時刻達到極大值，即圖7b中的F時刻。此后，由于工作氣隙不再變化，電流再次減小直至消失。

圖7 關(guān)閉階段線圈電流與銜鐵位移關(guān)系

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計

檢測系統(tǒng)主要由供油系統(tǒng)、上位機操作系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、噴油器驅(qū)動電路、完全開啟/落座時刻檢測電路等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。測試過程中，上位機向單片機發(fā)送噴油控制信號，單片機接收噴油脈寬等參數(shù)信息，驅(qū)動噴油器工作。同時，利用輸入捕捉功能實時記錄銜鐵組件完全開啟的時刻和完全關(guān)閉的時刻，通過計算得到無效噴油時間并將結(jié)果發(fā)送回上位機顯示。

圖8 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 完全開啟時刻信號檢測

銜鐵組件完全開啟時的測量電路由比例放大電路、微分電路、比較電路、電平轉(zhuǎn)換電路和反相電路組成。為了能夠有效檢測到線圈電流的變化，在電控噴油器下方串聯(lián)一個小阻值的采樣電阻，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過比例放大電路進行信號放大處理。然后，通過微分電路將電壓信號拐點處的波形處理成尖頂波形，再利用比較電路將尖頂波信號轉(zhuǎn)換為容易采集的方波信號。此外，為了讓單片機能夠有效識別到該方波信號，還需要通過電平轉(zhuǎn)換電路、反相電路的處理將信號變?yōu)門TL電平，完全開啟時刻的檢測電路如圖9所示。

圖9 完全開啟時刻檢測電路

綜合以上分析，銜鐵組件開啟階段經(jīng)各電路處理后的電壓信號變化過程如圖10中a～f點采樣的信號波形所示，其中，C點時刻即為銜鐵組件完全開啟時刻。

2.2 完全關(guān)閉時刻信號檢測

銜鐵組件完全關(guān)閉時的檢測電路由差分放大電路、微分電路、比較電路和電平轉(zhuǎn)換電路組成。由上文分析可知，線圈斷電后，電控汽油噴射器相當于一個電源，電控噴油器的正負極變換位置，向保護電路迅速放電，線圈兩端電壓不斷下降。根據(jù)這一特點，關(guān)閉階段測量電路通過比較放電階段線圈兩端的電壓與12V基準電壓之間差值的變化來反映銜鐵組件的運動過程。如圖11所示，電壓信號經(jīng)過同相串聯(lián)差動放大電路處理后，經(jīng)歷微分、比較等處理最終進入單片機。

銜鐵組件關(guān)閉階段經(jīng)各電路處理后的電壓信號變化過程如圖12中a～e點采樣的信號波形所示，其中，F(xiàn)點時刻為銜鐵組件完全關(guān)閉時刻。

圖10 開啟階段信號變化歷程

3 實驗驗證

實驗選取BOSCH公司EV6系列3種不同型號的低壓電控汽油噴射器為測試對象，在工作電壓12V、介質(zhì)壓力300kPa、測試溫度20℃的實驗條件下，設(shè)置噴油周期10ms、脈寬5ms，對無效噴油時間進行了測量，并利用線性流量階段持續(xù)時間的間接測量法對測量系統(tǒng)的結(jié)果進行了對比分析。

利用數(shù)據(jù)采集儀記錄一個周期內(nèi)線圈電流變化的數(shù)據(jù)，并繪制曲線，如圖13所示。為進一步驗證測試方法的可行性，通過數(shù)據(jù)采集儀測量了銜鐵組件開啟階段線圈電壓信號經(jīng)過微分處理后的波形，如圖14所示。對比圖10中C點采樣的信號曲線可以看出，實際測量的波形與理論分析的結(jié)果基本一致，說明本測試方法可以用于無效噴油時間的測量。

數(shù)據(jù)采集儀有響應(yīng)迅速、能直接采集噴油器線圈電流波形的特點，所以測量結(jié)果的誤差非常小，但這種設(shè)備昂貴且檢測效率低，不適于大批量的檢測，試驗過程中僅將這種方法的測量結(jié)果作為比較基準。

對比試驗中，首先將數(shù)據(jù)采集儀的測量結(jié)果與間接法測量的結(jié)果進行對比，如表1所示（文中結(jié)果均為測量50次取平均值后的結(jié)果，舍入誤差取小數(shù)點后兩位）。

圖11 完全關(guān)閉時刻檢測電路

再利用開發(fā)的測試系統(tǒng)測量噴油器的無效噴油時間，對比數(shù)據(jù)采集儀直接測量的結(jié)果，如表2所示。

由對比兩組結(jié)果可知，利用間接法測得無效噴油時間的結(jié)果絕對誤差最大值為0.03ms，相對誤差最大值為4.61%；開發(fā)的測量系統(tǒng)的絕對誤差最大值為0.02ms，相對誤差最大值為2.94%。

圖12 關(guān)閉階段信號變化歷程

圖13 噴油周期內(nèi)電流變化曲線

圖14 開啟階段經(jīng)微分處理的電壓曲線

表1 實驗結(jié)果對比1

表2 實驗結(jié)果對比2

測量系統(tǒng)引起測量誤差的因素可能為：①開啟延遲階段測量電路引入的采樣電阻R0將對線圈產(chǎn)生分壓效果。此時，線圈兩端的電壓小于理論值，導(dǎo)致開啟階段的延遲時間將略長于理論時間。②受單片機采樣頻率的影響，比較電壓一般略低于峰值電壓。③運算放大器的瞬態(tài)效應(yīng)。④軟件處理過程中的誤差。系統(tǒng)中采樣電阻的阻值為10mΩ，開啟階段產(chǎn)生的時間延遲不大于5 μs；完全開啟時刻和完全關(guān)閉時刻測量的比較電壓并不是尖頂波的峰值點（2次測量取電平的上升和下降邊沿時刻的平均值），由此產(chǎn)生的誤差不大于2μs；開啟階段反向器延時產(chǎn)生的誤差一般不超過5μs；其他由軟件處理過程中產(chǎn)生的誤差和單片機產(chǎn)生的誤差可以通過軟件設(shè)置進行補償，所以產(chǎn)生的誤差忽略不計。綜上，理論上測試系統(tǒng)無效噴射時間最大絕對誤差不大于12μs，最大相對誤差不大于1.82%。

4 結(jié)論

（1）通過對低壓電控噴油器電磁結(jié)構(gòu)的理論分析，總結(jié)了銜鐵組件運動過程和線圈電流變化規(guī)律之間的關(guān)系，利用完全開啟和關(guān)閉時刻電流出現(xiàn)極值的特點，提出了一種無效噴油時間的測量方法。

（2）設(shè)計了銜鐵組件完全開啟和完全關(guān)閉時刻的檢測電路，開發(fā)了1套用于測量無效噴油時間的系統(tǒng)。

（3）通過試驗對比可知，所開發(fā)的系統(tǒng)將測量結(jié)果的絕對誤差控制在0.02ms以內(nèi)，相對誤差控制在3%以內(nèi)，較好地滿足了低壓電控噴油器生產(chǎn)過程中針對無效噴油時間批量檢測的要求。

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